Scale up - Léptéknövelés

Scale up - Léptéknövelés

1

Mit jelent a Scale up?

 Scale up – léptéknövelés vagy másnéven méretnövelés

 Léptéknövelés:

 a kisléptékű modell (M) rendszertől a nagyléptékű produkciós (P) rendszer kialakításáig vezető folyamat

 a meglévő P rendszerek növelése

 már meglévő reaktor felhasználása új eljáráshoz (termékváltás)

2

Léptéknövelés = probléma

MIÉRT JELENT PROBLÉMÁT A LÉPTÉKNÖVELÉSE?

MIÉRT NEM LEHET A LABORATÓRIUMI MÉRETEKHEZ GEOMETRIAILAG

HASONLÓ REAKTOROKAT ÉPÍTENI?

MIÉRT NEM LEHET HASONLÓ PARAMÉTEREKET ALKALMAZNI?

3

Hol és miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Problémát jelent:

az anyagátalakításon alapuló technológiák esetén

 Az anyagátalakításos technológiák fő jellemzői a biotechnológiában:

Termodinamikai viselkedés (gázok oldhatósága egy adott tápközegben)

Mikrokinetikai viselkedés (a sejt környezetének a hatása a sejtes folyamatok kinetikájára)

Transzport folyamatok viselkedése (hőtranszport, anyagtranszport, momentum transzfer)

4

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Ezt a három fő jellemzőt vesszük figyelembe a biológiai folyamtok (pl.: fermentáció) tervezése, bevezetése és üzemeltetése esetén. Így ezeknek a méretváltozás esetén mutatott megváltozása meghatározó a léptéknövelésben.

 Méret függőségüket vizsgálva elmondható, hogy a

Termodinamikai viselkedés – méret független Mikrokinetikai viselkedés – méret független

Transzport folyamatok viselkedése - erősen méret függő

5

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

SEBESSÉGMEGHATÁROZÓ LÉPÉS KONCEPCIÓ

 A léptéknövelés esetén is megvizsgálhatók a részfolyamatok időállandói.

 A legnagyobb időállandójú részfolyamat lesz a sebességmeghatározó.

 Kinetikai rezsim: a reakciókra jellemző időállandók a legnagyobbak

Az M rendszerekre jellemző leginkább

 Transzport rezsim: a transzportra jellemző időállandók a legnagyobbak

A P rendszerekre jellemző leginkább

6

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Transzport folyamatok fő mechanizmusai:

Konvekció – szállítás (áramlás)

Kondukció – vezetés (diffúzió, diszperzió)

 Transzport folyamatok időállandói:

𝑡_𝐾 = ^{ℎ𝑜𝑠𝑠𝑧}

𝑠𝑒𝑏𝑒𝑠𝑠é𝑔 = ^𝐿

𝑣 és 𝑡_𝐷 = ^{ℎ𝑜𝑠𝑠𝑧2}

𝑑𝑖𝑓𝑓ú𝑧𝑖ó𝑠 á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó = ^𝐿2

𝐷

7

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Alkalmazva a geometriai méretnövelés elvét az időállandókra:

 Várható hogy két rendszer hasonlóan fog működni akkor, ha M és P rendszerekben az időállanadók vagy legalább is a sebességmeghatározó időállandok hasonlóak.

𝑡_𝐾 = ^{ℎ𝑜𝑠𝑠𝑧}

𝑠𝑒𝑏𝑒𝑠𝑠é𝑔 = ^𝐿

𝑣 L és v arányos növelésével 𝑡_𝐾 állandósága tartható

𝑡_𝐷 = ^{ℎ𝑜𝑠𝑠𝑧2}

𝑑𝑖𝑓𝑓ú𝑧𝑖ó𝑠 á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó = ^𝐿2

𝐷 D nem növelhető, így 𝑡_𝐷 állandósága nem tartható L növelésével

8

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Ha a transzport folyamatok időállandói a legnagyobbak (transzport rezsim), akkor ez egy sor folyamat sebességét befolyásolja:

• keverés

• nyírás

• O₂ abszorpció sebessége

• CO₂ deszorpció sebessége

• hőátadás

• makrokinetika (= mikrokinetika + transzport folyamatok kinetikája)

9

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Nehézségeket okoznak a mikróbiológiai folyamatok biológiai tulajdonságai is.

• növekedés

• adaptáció

• pusztulás

• nyírásérzékenység

• stb

10

Miért jelent problémát a léptéknövelése?

 Probléma források összegzése:

 Transzport folyamatok viselkedése méret függő:

- a diffúziós állandó nem növelhető a mérettel arányosan

 A transzport folyamatok dominanciájuk esetén hatással vannak:

- az alap reaktortechnikai paraméterekre. (keverés, nyírás, levegőztetés) - az alap biológiai folyamatokra (növekedés, adaptáció, pusztulás…)

 A P rendszereket transzport rezsim jellemezi ellentétben az M rendszerekkel

Ezeknek ellenére mégis alkalmazzák a geometria léptéknövelést egy meghatározott transzport folyamat értékének beállítása mellett!

11

A léptéknövelés módszerei

ELMÉLETI LEHETŐSÉGEK GYAKORLATI MÓDSZEREK

12

A léptéknövelés elméleti lépései

 A termelő törzs növekedésének és termékképzésének kimérése igen széles környezeti tényező tartományban (C, S, pH, T, nyírás, stb függvényében).

 Optimális növekedéséi és termékképzési tartomány kijelölése.

 A fenti eredmények alapján meghatározott kinetikai modellek beépítése a tömeg-, hő- és momentum mérlegegyenletekbe makrokinetikai egyenletek.

 Az így kapott reaktorra is érvényes makrokinetikai egyenletek megoldása.

13

A léptéknövelés elméleti lépései

 Az elméleti megközelítés nem járható ugyanis:

• nagy a kísérleti munkaigénye (sok idő és pénz)

• a mérleg egyenletek alkotta differenciálegyenlet rendszerek megoldása lehetetlen, még egyszerű áramlási viszonyok mellet is

• az egyes tényezőkre meghatározott optimális körülmények sokszor egymásnak ellentmondó feltételeket igényelnek

14

Lehetséges módszerek

 Fundamentális módszer

Az elméleti méretnövelés lépéseinek megvalósítása (de ez járhatatlan út)

 Szemifundamentális módszer

Egyszerűsítik a mérlegegyenletet. Felhasználják a reaktortechnika ismert modelljeit (CSTR, PFR, diszperziós modell, sorba kapcsolt kevert reaktorok modell stb.)

 Dimenzionál analízis

 Tapasztalati szabályok felhasználása

Gyakorlatban a „tudományos” (2. és 3.) módszereket kombinálják a tapasztalati szabályok felhasználásával!

15

Lehetséges módszerek

 Minden M rendszerre jellemző paramétert nem lehet azonos értéken tartani a P rendszerekben az egymásnak ellentmondó optimális körülmények és a biológiai rendszerek bonyolultsága miatt. Ezért választanunk kell egy vagy több ún.

léptéknövelési kritériumot (idem), amit állandó értéken akarunk tartani.

 A kritériumok megválasztására nincsenek általánosan elfogadható szabályok.

 A amegyibben ragaszkodunk a geometriai hasonlósághoz már csak egy léptéknövelési kritériumot választhatunk szabadon. A többi paraméter ezek hatásrendszere révén változik. Ez a változás esetenként drasztikus is lehet.

16

Lehetséges módszerek

 Lehetséges kritériumok (a teljesség igénye nélkül):

 lényeges környezeti paraméterek ( T, S, pH…)

 K_La – ott ahol az oxigénátadás szerepe kitüntetett

 keverősebesség – nyírásra érzékeny nem nagy O₂ igényű fermentációknál

 P/V (egységnyi térfogatba bevitt keverőenergia) – elősegíti a jó gáz/folyadék diszperziót ezzel meghatározza a K_La értékét.

 keveredési idő – mind az oxigénellátottságra, mind a makrokinetikára (szubsztrát felvétel, hőátadás, komponensek elkeveredése) hatással van.

 keverő léforgatási teljesítménye – (∝ 𝑁𝐷_𝑖³) keveredési idővel van összefüggésben

 Re-szám

17

Léptéknövelési Kritériumok

LEGGYAKRABBAN HASZNÁLT KRITÉRIUMOK

TAPASZTALATI SZABÁLYOK

18

Gyakori kritériumok

 A legtöbb európai fermentációs üzemről elmondható, hogy legtöbbször

valamilyen oxigénellátottsággal összefüggő kritériumot választanak valamint tapasztalati szabályokat és összefüggéseket használnak a léptéknövelésben.

 A legyakrabban használt kritériumok és előfordulási arányuk:

 P/V érték 30%

 K_La 30%

 keverő kerületi sebessége 20%

 oldott oxigén koncentráció 20%

19

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Léptéknövelés állandó P/V mellett

Az egységnyi térfogatba bevitt keverő energia:

ipari fermentorok esetén 1-3 kW/m³

kísérleti üzemi léptéknél 3-5 kW/m³ tapasztalati szabály szerint laboratóriumi fermentorok esetén 8-10 kW/m³

20

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Léptéknövelés állandó K_La mellett

 Az ipari fermentációknak általában nagy az oxigén igénye, ezért a K_La igen gyakori léptéknövelési kritérium.

 Lehetőség esetén érdemes kísérletesen megállapítani azt a K_La tartományt, ahol a folyamat kihozatala nem függ K_La növelésétől. (Nem biztos, hogy van ilyen!)

A fenti tartományban megválasztott K_La esetén, még geometriai hasonlóság mellett is szabadon választhatunk egy újabb léptéknövelési kritériumot.

21

Kritériumok és tapasztalati szabályok

Tapasztalati összefüggés K_La-ra:

 Newtoni fluidumok esetén ^ Nem Newtoni fluidumok esetén

22

K a C P

V v

L

g

 

  

 





K a C P

V v

L

g

s app

  

  

 



 



P_g: a teljesítmény felvétel [W]

V_L: a fermentlé térfogata [m³]

v_g: a levegőáramlás sebessége [m/s]

α: a k_La keveréstől való függésének mértékét reprezentálja

β: a k_La levegő befúvatás mértékétől való függése C: konstans

C’: konstans

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Az a és β nagymértékben függ a mérettől. Egy adott kísérlet sorozatban:

23

α β

5 liter 0,95 0,67

500 liter 0,6 – 0,7 0,67

50 000 liter 0,4 – 0,5 0,5

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Léptéknövelés állandó nyírósebesség mellett

 Tapasztalati szabálya szerint a keverőél kerületi sebességet 250 és 500 cm/s között választják meg.

 A nyírás a keverőél kerületi sebességével arányos.

24

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Léptéknövelés állandó keverési idő mellett

 Keveredési idő erősen függ a mérettől. A kisméretű keverős reaktorok (< 500 m³) általában jól kevertek, ellenbe a nagyobb méretű reaktorokkal.

25

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Keverési idők különböző fermentor léptékek esetén:

26

Fordulat szám

[1/min] Keverési idő [s]

3 dm³ 24000 dm³

30 - 66

60 - 41

120 16 26

300 9 -

750 5 -

tipikus tartomány

tipikus tartomány

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Nem geometriai méretnövelés

 Tapasztalat: a K_La és a nyírás fontosabb léptéknövelési faktorok (Oldshue,1966).

Ha a geometriai arányokat (D_i/D_T) egy adott tartományon belül tartjuk, akkor viszonylag széles gázsebesség vagy keverőteljesítmény felvétel tartományba szabadon mozoghatunk. Így megfelelő gáz/folyadék diszperziót és ez által megfelelő oxigén átadást lehet elérni.

27

Kritériumok és tapasztalati szabályok

 Optimális geometriai arány (D_i/D_T):

0,25 és 0,4 közötti tartományban van, ha keverő kerületi sebessége 500 cm/s.

0,3 0,6

A rovátkolt részen jó g/f diszprzió érhetõ el Rendszerint alkalmazott

mûködési tartomány

OPTIMÁLIS Di/DT

10 100 1000

keverõteljesitmény/gázsebesség

NÖVEKVÕ TELJESITMÉNY

28

Köszönöm a figyelmet!

29

Készítette: Beke Péter

2016 május 9.

30

Felhasznált irodalom:

 Sevella Béla: Biomérnöki műveletek II. 364-374. p.

 2002-es BIM 2 diasor – Léptéknövelés

Kérdések

 Mit jelent a Scale up?

 Miért jelent gondot?

 A léptéknövelés elméleti lépései?

 A léptéknövelés lehetséges módszerei?

 Melyek a leggyakori lépték növelési kritériumok?

31